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淺談無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)在高壓開關柜的設計應用

更新時間：2023-07-26

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吳柯霓

（安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801）

【摘要】針對高壓開關柜需要實時監(jiān)測溫度的需求，設計了一種無線測溫系統(tǒng).該系統(tǒng)采用STM32F103為主控芯片，利用nRF24L01無線模塊和RS485通訊接口傳輸、接收和存儲溫度數(shù)據(jù).測試結果表明，所設計系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了溫度的實時監(jiān)測.

【關鍵詞】高壓開關柜；無線模塊；RS485通訊

0 引言

在電力系統(tǒng)中，高壓開關柜將斷路器、互感器及相關的控制電器、輔助設備等組合起來，封閉在金屬柜內，對供電系統(tǒng)的電能進行接受和分配。然而，當電路中電流過大時，這種封閉式結構就會導致熱量集結，溫升加劇。若得不到有效散熱，長期在此環(huán)境下運行，就會導致溫升告警、跳閘停電等事故，造成電力系統(tǒng)經濟損失，據(jù)統(tǒng)計，每年約有40%的電力事故是由開關設備溫升異常造成的，因此，需要采取措施監(jiān)測高壓開關柜的溫度。目前，常用的測溫方法中人工紅外測溫具有局限性，示溫蠟片不能及時跟蹤溫度。此外，開關柜內環(huán)境惡劣，測溫系統(tǒng)需克服大電流、強磁場等環(huán)境干擾。針對現(xiàn)有測溫手段的缺陷，設計了一種高壓開關柜無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)開關柜內溫度實時在線監(jiān)測，可以實現(xiàn)設備溫升檢測的實時性、有效性，能夠及時發(fā)現(xiàn)溫度異常部位，有效避免事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

通常溫度采集器安裝在高壓開關柜需要測溫的節(jié)點部位，包括開斷節(jié)點、母線觸頭及接點等，由6~12個溫度采集器構成1個測量集群，每個測量集群采用功耗低、傳輸速率高的nRF24L01無線發(fā)射模塊，將采集到的節(jié)點溫度傳輸?shù)絻x表控制終端，通過RS485通訊接口上傳到上位機.因此，高壓開關柜無線測溫系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊和儀表控制終端兩大部分，由溫度傳感器、nRF24L01無線通信、RS485通信等組成，系統(tǒng)結構如圖1所示.溫度傳感器采集各測試點溫度，通過無線發(fā)射模塊nRF24L01將溫度數(shù)據(jù)匯集，實時顯示在儀表控制終端界面上.儀表控制終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網絡，對溫度數(shù)據(jù)進行傳輸、接收和存儲，同時具有設備自檢功能，對超溫數(shù)據(jù)發(fā)出警報。

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2 硬件設計

2.1 溫度測量模塊

溫度傳感器采用DS18B20，測量溫度范圍從-20℃到120℃，通過主控制器將監(jiān)測到的溫度值傳輸?shù)絥RF24L01無線通信模塊.DS18B20的接口電路如圖2所示.這部分MCU的主要功能是溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量小，程序內容較簡單，因此選擇STM8L051F3P6單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和傳輸控制。

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2.2 無線收發(fā)模塊

目前，短距離無線通信技術主要有藍牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01等�？紤]到高壓開關柜高壓、大電流和強磁場等特殊的運行環(huán)境，以及控制模塊低功耗、低成本、小型化等技術要求，無線模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進行設計。STM8單片機與nRF24L01無線模塊接口電路如圖3所示，二者之間通過SPI接口進行雙向通信。

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2.3 儀表控制終端模塊

控制終端電路采用STM32F103為核心進行設計，主要包括LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲與報警、無線通信和RS485通信，如圖1所示。顯示模塊采用2.8寸液晶顯示屏，控制芯片為ILI9341，存儲芯片采用AT24C64，選用帶隔離的RS485通信芯片，能夠有效增強設備的抗干擾能力，保證設備的穩(wěn)定運行。

控制終端模塊主要功能包括：

（1）12路無線溫度顯示；

報警溫度限值設置；
記錄*近12次很高溫報警數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均帶有時標記錄；
通訊地址和波特率設定功能；
設備具有自檢和自動恢復功能；

（6）數(shù)據(jù)通訊功能，通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)上傳到上一級采集器或者上傳到后臺.

3軟件設計

3.1 溫度采集與發(fā)送模塊程序流程如圖4所示：

（1）溫度達到快速發(fā)送模式（報警溫度-20℃）時，溫度數(shù)據(jù)30s發(fā)送一次；

（2）溫度沒有達到快速發(fā)送模式時，30s進行一次溫度采樣，當溫升超過5℃時，才將數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表控制終端。

3.2 控制終端模塊

儀表控制端程序流程如圖5所示.

無線模塊接收到采集模塊的溫度數(shù)據(jù)，則進行溫度顯示，若溫度達到設置的報警值，則記錄過溫時間，繼電器動作報警；
控制終端接收到系統(tǒng)設置的報文，則對儀表端控制參數(shù)進行設置；

（3）若是接收到溫度查詢報文，則把溫度值送到儀表控制終端

4 測試結果

由于在系統(tǒng)設置界面中測溫點數(shù)設置為12，因此，實時溫度顯示界面對應有12路溫度輸出.如圖6（a）~（c）所示為系統(tǒng)儀表控制終端顯示界面。此外，系統(tǒng)設置界面還可以對配對碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及系統(tǒng)時間等進行設置。設置溫度報警值為90℃，若實時溫度值超過這一溫度時，將在事件記錄界面記錄此次事件發(fā)生的時間、溫度值以及持續(xù)時間。事件記錄界面共有4頁，可以記錄12次報警事件，圖6（c）顯示的是其中的第1頁。

5 安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

5.1 概述

電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監(jiān)測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續(xù)、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，系統(tǒng)設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

5.2 應用場所

適合在泛在電力物聯(lián)網、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監(jiān)測。

5.3 系統(tǒng)結構

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

5.4 系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。

溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

運行報表：查詢及打印各測溫點對應時間的溫度數(shù)據(jù)。

實時告警：系統(tǒng)能夠對各測溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

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歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析等。

5.5 系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

6 結論

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制核心，無線模塊采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU協(xié)議在主機和終端設備之間通訊。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實時檢測12路溫度數(shù)據(jù)，能夠對報警溫度限值、通訊地址和波特率等參數(shù)進行設置，對于*近12次很高溫報警數(shù)據(jù)，能夠顯示并帶有時標記錄。測試結果驗證了該系統(tǒng)的可行性，提高了開關柜設備運行的安全性和可靠性。

參考文獻

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作者簡介

吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為無線測溫系統(tǒng)的設計與應用